(57)【要約】【課題】  計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合でも被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供すること。【解決手段】  本発明に係る吸収計測装置１は、対向して配置された第１の鏡２１と第２の鏡２２とを有する共振器２０と、共振器２０への入射角が０より大きな角度を有する測定パルス光７０を第１の鏡２１へ入射させる光源１０と、共振器２０の複数箇所から出力される出力光のうち第１の出力光７１を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段３０と、第１の検出手段３０より感度が高く、第１の出力光７１よりも共振器２０内における反射回数の多い第２の出力光７２を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段４０と、第１の検出信号と第２の検出信号に基づいて第１の鏡２１と第２の鏡２２との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定装置５０とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2006189392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々入射した光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、前記第１の鏡と前記第２の鏡とが互いに対向するように配置された共振器と、
測定光を出力し、前記共振器への前記測定光の入射角が０より大きな角度を有するように前記測定光を前記第１の鏡へ入射させる光源と、
前記共振器の外部から前記第１の鏡へ入射して前記第１の鏡を透過して前記共振器内に入り多重反射を繰返して前記第１の鏡と前記第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力される出力光のうち第１の出力光を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段と、
前記第１の検出手段より感度が高く、前記第１の出力光よりも前記共振器内における反射回数の多い第２の出力光を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とに基づいて前記第１の鏡と前記第２の鏡との間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする吸収計測装置。
【請求項２】
前記共振器への前記測定光の入射角を変更する角度可変手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の吸収計測装置。
【請求項３】
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とがほぼ同じになるように、前記共振器への前記測定光の入射角を制御する信号を前記角度可変手段に出力する角度制御手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吸収計測装置。
【請求項４】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間の距離を変更する距離可変手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項５】
前記光源は、前記測定光の波長を変更する波長可変手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項６】
所定周波数で前記測定光を強度変調する変調手段と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との少なくともいずれか一方の信号を入力し、入力した前記信号のうち前記所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項７】
前記第１の鏡と前記第２の鏡との間に前記被測定試料を導入する試料セルを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項８】
前記第１の検出手段は、測定する前記第１の出力光を減衰して減衰光を出力する減衰手段と、
前記減衰手段が出力する前記減衰光を検出する減衰光検出手段と
を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項９】
前記第２の検出手段と前記減衰光検出手段とが同じ感度特性を示すことを特徴とする請求項８に記載の吸収計測装置。
【請求項１０】
前記第１の検出手段がフォトダイオードであり、前記第２の検出手段がアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【請求項１１】
前記第１の検出手段が光電管であり、前記第２の検出手段が光電子増倍管であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の吸収計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティリングダウン分光法を用いた吸収計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定試料の光吸収係数を取得する手法として、吸収分光法の一つであるキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）が知られている。ＣＲＤＳは、一対の鏡の間に被測定試料を導入した共振器を用いる。共振器へ入射した測定光は、多重反射を繰返して、鏡面を透過する成分と被測定試料によって吸収される成分とによって減衰する。ＣＲＤＳは、共振器で減衰する光強度を解析することにより、被測定試料の光吸収係数を取得する手法である。ＣＲＤＳを行う装置の構成には、いくつかの種類がある。
【０００３】
例えば、下記非特許文献１にはウォークオフ型ＣＲＤＳについて記載されている。ウォークオフ型ＣＲＤＳでは、共振器への測定光の入射角の大きさが０より大きい。共振器へ入射した測定光は、鏡面の複数箇所で反射を繰返し、反射した箇所からはそれぞれ透過光が共振器の外に出力される。共振器から出力される出力光の光強度を解析すると、パルス列の減衰曲線が得られる。その減衰曲線により被測定試料の光吸収係数が得られる。下記非特許文献１においては、出力光の検出を１台の１次元または２次元の光検出器で行っている。
【非特許文献１】Ｈ．Ａ．ＲＹＰＫＥＭＡ、他２名、ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＰＨＹＳＩＣＳ、２００４年、ＶＯＬ．１０２、Ｎｏ．１４−１５、ｐｐ．１５０１−１５０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＲＤＳでは減衰する光強度を解析する。ウォークオフ型ＣＲＤＳにおいても同様に減衰する光強度を解析する。上記非特許文献１において用いた光検出器のダイナミックレンジが不十分であると、測定可能な最大値より高い強度の出力光または測定可能な最小値より低い強度の出力光に対応するパルス列の減衰曲線を得ることができない。ダイナミックレンジとは、最大値と最小値の比である。従来、特に、高い強度の出力光は、検出器の素子が光学的な飽和を起こし、対応する減衰曲線を得ることができない場合があった。高い強度の出力光または低い強度の出力光に対応する減衰曲線が得られないと、十分な精度の光吸収係数を決定することができない。よって、上記非特許文献１における光検出器の測定可能なダイナミックレンジは、計測に必要な共振器から出力される出力光の光強度のダイナミックレンジよりも大きい必要がある。一方、ダイナミックレンジが大きい光検出器は、大型化、高価格化を招くので問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解消する為になされたものであり、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る吸収計測装置は、各々入射した光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡と第２の鏡とを有し、第１の鏡と第２の鏡とが互いに対向するように配置された共振器と、測定光を出力し、共振器への測定光の入射角が０より大きな角度を有するように測定光を第１の鏡へ入射させる光源と、共振器の外部から第１の鏡へ入射して第１の鏡を透過して共振器内に入り多重反射を繰返して第１の鏡と第２の鏡とのいずれか一方を透過して複数箇所からそれぞれ出力される出力光のうち第１の出力光を検出して第１の検出信号を出力する第１の検出手段と、第１の検出手段より感度が高く、第１の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第２の出力光を検出して第２の検出信号を出力する第２の検出手段と、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて第１の鏡と第２の鏡の間に入れられた被測定試料の光吸収係数を決定する決定手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
このように、第１の検出手段によって第１の出力光を検出し、第２の検出手段によって第２の出力光を検出するので、第１の検出手段と第２の検出手段とにおける検出可能な光強度の測定範囲と検出素子の感度とを、それぞれ検出する光の強度に合わせて選択することができる。更に、第１の検出器より感度の高い第２の検出器によって第１の出力光よりも共振器内における反射回数の多い第２の出力光を検出するので、第１の出力光よりも強度が低い第２の出力光を第２の検出器によって検出することができる。
【０００８】
また、本発明に係る吸収計測装置は、共振器への測定光の入射角を変更する角度可変手段を備えることが望ましい。このように角度可変手段によって共振器への測定光の入射角を変更するので、一つの被測定試料に対して複数の入射角における光吸収係数の計測を行うことができ、より精度よく光吸収係数を決定することができる。
【０００９】
また、本発明に係る吸収計測装置は、共振器への測定光の入射角を制御する角度制御手段を備えることが望ましい。このように第１の検出信号と第２の検出信号とがほぼ同じ値になるように入射角を制御することにより、光吸収係数は、入射角に依存して決定される。第１の検出信号と第２の検出信号とが異なる値をとる場合には、光吸収係数は、入射角に加えて第１の検出信号と第２の検出信号との比に依存して決定される。このことから、角度制御手段が第１の検出信号と第２の検出信号とがほぼ同じになるように共振器への測定光の入射角を変更すれば、光吸収係数を決定する際に第１の検出信号と第２の検出信号との比を考慮する必要がなくなる。よって、光吸収係数をより簡易に決定することができる。
【００１０】
また、本発明に係る吸収計測装置は、第１の鏡と第２の鏡との間の距離を変更する距離可変手段を備えることが望ましい。このように、第１の鏡と第２の鏡との間の距離を変更することによって、変化した距離に応じて第１の出力光の光強度と第２の出力光の光強度とがそれぞれ変化する。従って、第１の検出信号と第２の検出信号との比が変化する。このことから、第１の鏡と第２の鏡との間の距離を変更して、第１の検出信号と第２の検出信号との比が所望の値となるように調整することができる。
【００１１】
また、本発明に係る吸収計測装置は、所定周波数で測定光を強度変調する変調手段と、第１の検出信号と第２の検出信号との少なくともいずれか一方の信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力するロックイン増幅器とを備えることが望ましい。第１の検出信号と第２の検出信号は、測定光に対する出力光の信号とノイズとを含むが、変調手段が測定光を所定周波数で強度変調するので、所定周波数の信号が出力光の信号であることが判断できる。ロックイン増幅器が、第１の検出信号と第２の検出信号のいずれか一方の検出信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力するので、所定周波数以外の周波数のノイズを除去することができる。よって、より精度よく光吸収係数を決定できる。
【００１２】
また、本発明に係る吸収計測装置は、第１の鏡と第２の鏡との間に被測定試料を導入する試料セルを備えることが望ましい。このように試料セルを備えることによって、被測定試料を簡易に第１の鏡と第２の鏡の間に導入することができる。
【００１３】
また、本発明に係る吸収計測装置において、第１の検出手段は、測定する第１の出力光を減衰して減衰光を出力する減衰手段と、減衰手段が出力する減衰光を検出する減衰光検出手段とを備えることが望ましい。この構成によれば、減衰光検出手段の測定可能な最大値が第１の出力光の光強度よりも小さくても、減衰手段が第１の出力光を減衰するので、減衰光検出手段が第１の出力光を検出することができる。
【００１４】
また、減衰光検出手段と第２の検出手段とが同じ感度特性を示すことが望ましい。このような構成にすることによって、減衰光検出手段が出力する第１の検出信号と第２の検出手段が出力する第２の検出信号に基づいて光吸収係数を決定する際に、減衰光検出手段と第２の検出手段との感度特性の違いを考慮する必要が無くなる。
【００１５】
また、本発明に係る吸収計測装置において、第１の検出手段がフォトダイオードであり、第２の検出手段がアバランシェフォトダイオードであってもよい。よって、第１の出力光７１をフォトダイオードで検出し、第１の出力光７１よりも光強度の弱い第２の出力光７２をフォトダイオードより感度が高いアバランシェフォトダイオードで検出することができる。
【００１６】
また、本発明に係る吸収計測装置において、第１の検出手段が光電管であり、第２の検出手段が光電子増倍管であってもよい。よって、第１の出力光を光電管で検出し、第１の出力光よりも光強度の弱い第２の出力光を光電管より感度が高い光電子増倍管で検出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、計測する出力光のダイナミックレンジが大きい場合であっても被測定試料の光吸収係数を決定することができる吸収計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
本実施形態に係る吸収計測装置は、ウォークオフ型ＣＲＤＳを利用して被測定試料の光吸収係数を取得するものである。また、本実施形態に係る吸収計測装置は、取得した光吸収係数を利用して被測定試料の濃度を決定する。
【００２０】
まず、本実施形態に係る吸収計測装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る吸収計測装置１の構成図である。吸収計測装置１は、光源１０と、共振器２０と、第１の検出手段３０と、第２の検出手段４０と、決定装置５０（決定手段）と、表示装置６０とを備える。
【００２１】
共振器２０は、各々入射した光の一部を反射し残部を透過させる第１の鏡２１と第２の鏡２２とを備える。第１の鏡２１と第２の鏡２２は、互いに対向するように配置される。また、第１の鏡２１と第２の鏡２２とが平行に配置されていることが好ましい。共振器２０は、第１の鏡２１と第２の鏡２２との間に配置された、被測定試料を導入する直方体形状の試料セル２３を備える。被測定試料は、液体または気体である。被測定試料は、供給源（図示せず）からポンプ（図示せず）によって試料セル２３に導入される。
【００２２】
光源１０は、測定光を出力し、共振器２０への測定光の入射角が０より大きな角度を有するように測定光を第１の鏡２１へ入射させる。測定光は、パルス光であってもよいし、連続光であってもよい。図１においては、測定光としてパルス光である測定パルス光７０を示す。図１の測定パルス光７０において、横軸は時間を表している。光源１０は、半導体レーザー、量子カスケードレーザー、チタンサファイヤレーザーなどを用いることが可能である。
【００２３】
測定パルス光７０は、共振器２０の外部から第１の鏡２１へ入射して第１の鏡２１を透過して共振器２０内に入り、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力される。測定パルス光７０は、共振器２０内で多重反射を繰り返して被測定試料中を透過するので、測定パルス光７０の光強度は被測定試料の光吸収特性に応じて減衰する。また、測定パルス光７０が共振器２０内の複数箇所で反射を起こし、反射した複数箇所から透過光が共振器２０の外に出力される。
【００２４】
第２の鏡２２から出力される出力光のうち共振器２０内で２ｎ回の反射を経て出力される出力光Ｌｎは、パルス列の減衰曲線７３となる。図１に示すパルス列の減衰曲線７３において、縦軸は出力光の出力位置の空間距離を示す。出力光Ｌｎの光強度Ｉ（ｎ）は式１のように表される。ただし説明の為に、式１では、試料セル２３における測定パルス光７０の反射、屈折、吸収に関わる係数を省略している。
【数１】
2006189392.tif 000003
ここで、Ｉ０は測定パルス光７０が共振器２０への入射するときの光強度、Ｒ１は第１の鏡２１の反射率、Ｒ２は第２の鏡２２の反射率、ａは被測定試料の光吸収係数、Ｄは、光が共振器２０内で反射してから次に反射するまでに被測定試料中を透過する距離である。その距離Ｄは、試料セル２３の第１の鏡と平行な２面の内壁間の距離をｄ、共振器２０への測定パルス光７０の入射角をθとすると、次のように表される。
【数２】
2006189392.tif 000004
【００２５】
図１に戻って、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０は、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力される出力光のうち、第２の鏡２２面上の所定の２つの位置からそれぞれ出力される第１の出力光７１と第２の出力光７２とを検出する。図１に示す第１の出力光７１と第２の出力光７２とにおいて、縦軸は、空間距離を示す。第１の検出手段３０は、第１の出力光７１の光路上に配置されている。第２の検出手段４０は、第２の出力光７２の光路上に配置されている。
【００２６】
第１の検出手段３０は、第１の出力光７１を検出して第１の検出信号を出力する。第１の出力光７１とは、共振器２０から出力される出力光のうち第２の出力光７２よりも強度の強い出力光である。第１の検出信号とは、第１の出力光７１の光強度に応じて第１の検出手段３０から決定装置５０へ出力される信号である。第１の検出手段３０は、光減衰器３１（減衰手段）と、第１の検出器３２（減衰光検出手段）とを備える。また、光減衰器３１と第１の検出器３２との間には、第１のアパーチャ３３が配置されている。
【００２７】
光減衰器３１は、第１の出力光７１を減衰率Ｎｄで減衰して第１の検出器３２へ出力する。光減衰器３１は、減衰率Ｎｄを可変できる構成となっていることが好ましい。光減衰器３１は、例えば、光が透過する箇所によって透過率が異なるフィルターを備えている。そのような光減衰器３１を用いることによって、第１の出力光７１の光強度や第１の検出器３２のダイナミックレンジに応じて光減衰器３１を移動して減衰率を最適化することができる。
【００２８】
第１のアパーチャ３３は、光減衰器３１と第１の検出器３２との間の第１の出力光７１の光路上に配置され、第１の出力光７１のみを通す。第１のアパーチャ３３は、第２の鏡２２における第１の出力光７１の出力位置周辺から出力される第１の出力光７１以外の出力光を遮る。
【００２９】
第１の検出器３２は、光減衰器３１により減衰され、第１のアパーチャ３３を通過した減衰光を検出して、検出した光の強度に応じた第１の検出信号を決定装置５０へ出力する。第１の検出器３２は、例えば光電管である。
【００３０】
第２の検出手段４０は、第１の出力光７１よりも共振器２０内での反射回数が多い第２の出力光７２を検出して第２の検出信号を出力する。第２の出力光７２は、第１の出力光７１よりも共振器２０内での反射回数が多いので第１の出力光７１よりも光強度が弱い。第２の出力光７２は、第１の出力光７１よりも強度が弱いが、第２の検出手段４０は、第１の検出手段３０よりも感度が高いので検出することができる。上述の第２の検出信号とは、第２の出力光７２の光強度に応じて第２の検出手段４０から決定装置５０へ出力される信号である。そして、第２の検出手段４０は、第２の検出器４１と第２のアパーチャ４２とを備える。
【００３１】
第２のアパーチャ４２は、第２の検出器４１と共振器２０との間の第２の出力光７２の光路上に配置され、第２の出力光７２のみを通す。第２のアパーチャ４２は、第２の鏡２２における第２の出力光７２の出力位置周辺から出力される第２の出力光７２以外の出力光を遮る。
【００３２】
第２の検出器４１は、第２のアパーチャ４２を通過した第２の出力光７２を検出して、検出した光の強度に応じた第２の検出信号を決定装置５０へ出力する。第２の検出器４１の感度特性は、第１の検出器３２と同じである。第２の検出器４１は、例えば、第１の検出器３２と同じ感度特性を持つ光電管である。
【００３３】
決定装置５０は、第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて被測定試料の光吸収係数ａを決定する。決定装置５０は、差動増幅器５１と、解析装置５２と、濃度決定装置５４とを備える。解析装置５２には、係数ルックアップテーブル５３が格納されている。濃度決定装置５４には、濃度ルックアップテーブル５５が格納されている。
【００３４】
差動増幅器５１は、入力された第１の検出信号と第２の検出信号とに基づいて、第１の出力光７１を減衰した減衰光の光強度Ｉ１と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との光強度比ΔＩを示す光強度比信号を解析装置５２へ出力する。光強度比ΔＩを用いると、第１の出力光７１の光強度Ｉ１と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との比は次のように表すことができる。
【数３】
2006189392.tif 000005
【００３５】
解析装置５２は、光強度比信号と予め格納した係数ルックアップテーブル５３とを用いて被測定試料の光吸収係数ａを決定する。係数ルックアップテーブル５３とは、共振器２０への測定パルス光７０の入射角θと光強度比ΔIと光吸収係数ａとを関連付けて解析装置５２に格納したテーブルである。つまり、入射角θが既知である場合に、ΔＩの値を測定し、係数ルックアップテーブル５３を参照することにより、光吸収係数ａを決定することができる。解析装置５２は、決定した光吸収係数ａを示す信号を濃度決定装置５４へ出力する。
【００３６】
解析装置５２による光吸収係数ａを決定する原理について説明する。第１の出力光７１と第２の出力光７２との共振器２０内における反射回数の差を２Δｎ（＞０）とする。第１の出力光７１と第２の出力光７２との被測定試料中の透過距離の差ΔＬは２ＤΔｎである。すると、第１の出力光７１の光強度Ｉ１と第２の出力光７２の光強度Ｉ２との比は式１より次のように表すことができる。
【数４】
2006189392.tif 000006
式３と式４より光吸収係数ａは次のように表すことができる。
【数５】
2006189392.tif 000007
上記式５において、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と、第２の鏡２２の反射率Ｒ２と、光減衰器３１の減衰率Ｎｄは予め測定することにより値を知ることができる。第１の出力光７１と第２の出力光７２との被測定試料中の透過距離の差ΔＬ＝２ＤΔｎは、光路長Ｄと、第１の出力光７１と第２の出力光７２との共振器２０内における反射回数の差２Δｎとを知ることにより算出できる。第２の鏡２２上における第１の出力光７１の出力位置と第２の出力光７２の出力位置との間の距離をｘ、第１の鏡２１と第２の鏡２２との間の距離をＸとすると、反射回数の差２Δｎは幾何学的に次のように表すことができる。
【数６】
2006189392.tif 000008
上記式６において、出力位置の距離ｘと鏡間の距離Ｘは、予め測定することによって値を得ることができる。以上より、光強度比ΔＩと共振器２０への測定パルス光７０の入射角θとを得ることによって、式５を用いて光吸収係数ａは一義的に決定することができる。よって、予め係数ルックアップテーブル５３を作成することができる。
【００３７】
光強度比ΔＩは、差動増幅器５１から出力される光強度比信号の値である。入射角θは、予め測定することによって取得可能な値である。よって、入射角θと光強度比ΔＩを測定し、係数ルックアップテーブル５３を参照することにより、光吸収係数ａを決定することができる。このように、係数ルックアップテーブル５３を用いることにより、式５の演算処理を行うことなく、取得した光強度比ΔＩと入射角θに対する光吸収係数ａをリアルタイムで決定することができる。
【００３８】
図１に戻って、濃度決定装置５４は、解析装置５２から出力される光吸収係数ａを示す信号と濃度ルックアップテーブル５５とに基づいて被測定試料の濃度を決定する。濃度ルックアップテーブル５５は、光吸収係数ａと被測定試料の濃度とを関連づけて濃度決定装置に格納したテーブルである。濃度ルックアップテーブル５５を参照することにより、得られた光吸収係数ａに対応する被測定試料の濃度を決定することができる。濃度決定装置５４は、決定した濃度を示す信号を表示装置６０に出力する。
【００３９】
表示装置６０は、濃度決定装置５４が出力した濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度を表示する。
【００４０】
吸収計測装置１の動作を説明する。まず共振器２０の試料セル２３へ被測定試料を導入した状態で、光源１０によって測定パルス光７０が入射角θで共振器２０へ入射する。第１の鏡２１を透過した測定パルス光７０は、被測定試料によって強度を減衰しながら、第１の鏡２１と第２の鏡２２の間を多重反射する。共振器２０に入射した測定パルス光７０のうち第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力した第１の出力光７１は、光減衰器３１によって減衰されて減衰光として出力される。減衰光のうち第１のアパーチャ３３を通った光は、第１の検出器３２によって検出され、減衰光の光強度を示す第１の出力信号が差動増幅器５１へ出力される。また、第２の鏡２２を透過して共振器２０から出力した第２の出力光７２のうち第２のアパーチャ４２を通った光は、第２の検出器４１によって検出され、第２の出力光７２の光強度を示す第２の出力信号が差動増幅器５１へ出力される。
【００４１】
差動増幅器５１によって、第１の出力信号と第２の出力信号とに基づいて、減衰光の光強度と第２の出力光７２の光強度との光強度比ΔＩを示す光強度比信号が解析装置５２へ出力される。解析装置５２によって、光強度比信号と係数ルックアップテーブル５３とを用いて被測定試料の光吸収係数ａが決定され、光吸収係数ａを示す信号が濃度決定装置５４へ出力される。濃度決定装置５４によって、光吸収係数ａを示す信号と濃度ルックアップテーブル５５とを用いて被測定試料の濃度が決定され、その濃度を示す信号が表示装置６０へ出力される。表示装置６０によって、濃度を示す信号に基づいて被測定試料の濃度が表示される。
【００４２】
引き続き、上記実施形態における効果について説明する。吸収計測装置１では、第１の検出手段３０において、光減衰器３１によって光強度の強い第１の出力光７１を減衰してから第１の検出器３２で検出する。よって、第１の検出器３２の測定可能な最大値が第１の出力光７１の光強度より小さくても、第１の出力光７１の光強度に合わせて光減衰器３１の減衰率を選ぶので、光強度の強い第１の出力光７１を検出することができる。更に、吸収計測装置１では、第１の検出器３２の測定範囲に依存しない第２の検出器４１によって、光強度の弱い第２の出力光７２を検出する。よって、第２の検出器４１は、第２の出力光７２の光強度に合わせて選ぶことができる。従って、吸収計測装置１において、計測する出力光のダイナミックレンジが大きくても被測定試料の光吸収係数ａを決定できる。
【００４３】
具体的に、上記実施形態において、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との構成による効果を説明する。従来のウォークオフ型ＣＲＤＳにおいては、出力光の検出に１台のＣＣＤカメラを用いている。このＣＣＤカメラは、１枚の画像における測定可能なダイナミックレンジが３桁程度である。上記実施形態において、例えば、第１の検出手段３０において、減衰率Ｎｄが１０−３の光減衰器３１と、ダイナミックレンジが３桁程度の第１の検出器３２とを備え、第２の検出器４１の測定範囲が第１の検出器３２と同じである場合について説明する。光減衰器３１の減衰率Ｎｄが１０−３なので、第１の検出手段３０の測定範囲は、第１の検出器３２の測定範囲の１０３倍にシフトして、測定範囲の最大値は１０３倍となる。よって、第１の検出手段３０で検出する最大値と第２の検出手段４０で検出する最小値との比が６桁程度となる。更に上記実施形態において、例えば、第１の検出手段３０が、減衰率Ｎｄが１０−６の光減衰器３１と、ダイナミックレンジが３桁程度の第１の検出器３２とを備え、第２の検出器４１の測定範囲が第１の検出器３２と同じである場合について説明する。光減衰器３１の減衰率Ｎｄが１０−６なので、第１の検出手段３０の測定範囲は、第１の検出器３２の測定範囲の１０６倍にシフトして、測定範囲の最大値は１０６倍となる。よって、第１の検出手段３０で検出する最大値と第２の検出手段４０で検出する最小値との比が９桁程度となる。よって、光減衰器３１の減衰率Ｎｄと、第１の検出器３２と第２の検出器４１とのダイナミックレンジとの組合せにより、吸収計測装置１において検出可能な最大値と最小値の比を所望の値に設定することができる。
【００４４】
上記実施形態において、以下のような工夫を施しても、上述した効果を得ることができる。
【００４５】
上記実施形態において、測定光として連続光を用いる場合は、時間コヒーレンスによって空間的に干渉縞が発生する。よって、干渉縞を発生させないように、吸収計測装置１に微小振動を与えてもよい。
【００４６】
上記実施形態において、第１の検出器３２と第２の検出器４１は、例えば光電管であるとしたが、フォトダイオードでもよい。
【００４７】
上記実施形態において、Δｎを幾何学的に算出したが、パルス光を共振器２０に入射し、第１の検出信号と第２の検出信号が差動増幅器５１に到達する時間差によってΔｎを求めてもよい。
【００４８】
上記実施形態において、解析装置５２によって、光強度比ΔＩと入射角θとに加えて係数ルックアップテーブルを用いて光吸収係数ａを決定した。係数ルックアップテーブルを用いずに、演算回路を用いて式５に示す演算を行うことにより光吸収係数ａを算出してもよい。
【００４９】
上記実施例では、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と第２の鏡２２の反射率Ｒ２は、予め測定することによって値を取得した。吸収計測装置１の測定セル２３に、被測定試料を導入せずに、ブランク試料に対して測定を行うことによって、光吸収係数ａ＝０の場合の測定を行うことができる。光吸収係数ａ＝０の場合の光強度比ΔＩ０は、式５より次のようになる。
【数７】
2006189392.tif 000009
よって、式７の右辺の値を取得することができるので、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と第２の鏡２２の反射率Ｒ２を予め測定することなく、式７を式５に代入して光吸収係数ａを算出することができる。また、式７より（Ｒ１・Ｒ２）Δｎの値を算出することができるので、第１の鏡２１の反射率Ｒ１と第２の鏡２２の反射率Ｒ２を予め測定することなく、係数ルックアップデータも作成することもできる。
【００５０】
また、上記のようにブランク試料を測定時に光強度比ΔＩ０が１となるように、入射角θと、第１の出力光７１の出力位置と第２の出力光７２の出力位置との間の距離ｘとを調整してもよい。光強度比ΔＩ０が１のとき、式５より、光吸収係数ａは次のように表される。
【数８】
2006189392.tif 000010
よって、１の鏡２１の反射率Ｒ１と第２の鏡２２の反射率Ｒ２とを予め測定することなく、吸収係数ａを算出することができる。
【００５１】
引き続き、上記実施形態の変形例である第２の実施形態から第６の実施形態について説明する。
【００５２】
第２の実施形態に係る吸収計測装置２について説明する。図２は、第２の実施形態に係る吸収計測装置２の構成図である。吸収計測装置２は、吸収計測装置１の構成に加えて、変調器１２と、第１のロックイン増幅器３４と、第２のロックイン増幅器４３とを備える。また、光源１０は、強度変調された測定パルス光７０を出力する。
【００５３】
変調器１２は、所定周波数で測定パルス光７０を強度変調する。変調器１２は、光源１０と第１のロックイン増幅器３４と第２のロックイン増幅器４３とへ、所定周波数で時間的に強度が変化する同期信号を出力する。光源１０は、変調器１２が出力する同期信号に基づいて、所定周波数で強度変調された測定パルス光７０を出力する。
【００５４】
第１のロックイン増幅器３４は、第１の検出信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第２のロックイン増幅器４３は、第２の検出信号を入力し、その入力した信号のうち所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第１のロックイン増幅器３４と第２のロックイン増幅器４３は、変調器１２が出力する同期信号に基づいて、所定周波数の信号成分のレベルを出力する。第１のロックイン増幅器３４と第２のロックイン増幅器４３とを用いることによって、雑音を排除して高精度に光強度比ΔＩを計測することができる。
【００５５】
第３の実施形態に係る吸収計測装置３について説明する。図３は、第３の実施形態に係る吸収計測装置３の構成図である。吸収計測装置３は、吸収計測装置１の構成に加えて、位置可変装置４４（位置可変手段）と、位置制御装置４５を備えている。
【００５６】
位置可変装置４４は、第１の検出手段３０と第２の検出手段４０との間の距離を変更する装置である。位置可変装置４４は位置制御装置４５が出力した移動を指示する信号に基づいて第２の検出手段４０を移動する。位置制御装置４５は、位置可変装置４４による第２の検出手段４０の移動を制御する。位置制御装置４５は、位置可変装置４４と解析装置５２へ、第２の検出手段４０の移動を指示する信号を出力する。解析装置５２は、位置制御装置４５が出力した移動を指示する信号に基づいて、第１の出力光７１の出力位置と第２の出力光７２の出力位置との間の距離ｘを算出する。
【００５７】
第２の検出手段４０の位置を変化させることによって、第２の出力光７２の被測定試料中を透過する距離を変えて多点で計測することができる。よって、より正確な被吸収係数ａを決定することができる。さらに、出力位置の間の距離ｘと光強度比ΔＩとの関係を解析することによって被測定試料の空間分布を測定することができる。
【００５８】
第４の実施形態に係る吸収計測装置４について説明する。図４は、第４の実施形態に係る吸収計測装置４の構成図である。吸収計測装置４は、吸収計測装置１の構成に加えて、角度可変装置２４（角度可変手段）と、角度制御装置２５とを備えている。
【００５９】
角度可変装置２５は、共振器２０への測定パルス光７０の入射角θを変更する。角度可変装置２４は、角度制御装置２５が出力する変更角度を指示する信号に基づいて、共振器２０の角度を変更することにより、共振器２０への測定パルス光７０の入射角θを変更する。角度制御装置２５は、角度可変装置２４による入射角θの変更を制御する。角度制御装置２５は、角度変更装置２４と解析装置５２へ入射角θの変更を指示する信号を出力する。解析装置５２は、角度制御装置２５が出力した入射角θの変更を指示する信号に基づいて入射角θを算出する。
【００６０】
入射角θを変更することにより測定パルス光７０の被測定試料中を透過する空間位置を変えて多点で計測することができる。よって入射角θと光強度比ΔＩとの関係を解析することによってより正確な被吸収係数ａを決定することができる。
【００６１】
第５の実施形態に係る吸収計測装置５について説明する。図５は、第５の実施形態に係る吸収計測装置５の構成図である。吸収計測装置５は、吸収計測装置４の構成に加えて、波長可変装置１１（波長可変手段）を備えている。また、差動増幅器５１は、光強度比信号を角度制御装置２５にも出力する。更に、角度制御装置２５（角度制御手段）は、光強度比ΔＩが１となるように、角度可変装置２４を制御する。
【００６２】
角度制御装置２５は、差動増幅器５１が出力した光強度比信号に基づいて、光強度比ΔＩが１となるように、角度可変装置２４を制御する信号を出力する。よって、光強度比ΔＩが１となるように共振器２０の角度を変更して測定を行うバランス計測を行うことができる。光強度比ΔＩが１のとき式５は次のようになる
【数９】
2006189392.tif 000011
よって係数ルックアップテーブルは、入射角θとａとを関連付けたデータのみで良い。ΔＩを用いることなく、係数ルックアップテーブルにおいて入射角θを参照することによって光吸収係数ａを決定することができる。
【００６３】
また、波長可変装置１１は、測定パルス光７０の波長を変更する。波長可変装置１１は、光源１０と濃度決定装置５４へ変更波長を指示する信号を出力する。波長可変装置１１によって測定パルス光７０の波長を変更して上述のバランス計測を多点で行うことができる。従って、より正確な光吸収係数ａを決定することができる。この場合は、濃度ルックアップテーブル５５において、測定パルス光７０の波長と光吸収係数ａと濃度とを関連付けて格納しておき、濃度決定装置５４は、波長可変装置１１が出力する変更波長を指示する信号と光吸収係数ａに基づいて濃度を決定する。
【００６４】
第６の実施形態に係る吸収計測装置６について説明する。図６は、第６の実施形態に係る吸収計測装置６の構成図である。吸収計測装置６は、吸収計測装置１の構成に加えて距離可変装置２６（距離可変手段）と距離制御装置２７（距離制御装置）とを備える。更に、吸収計測装置６においては、第１の検出器３２がフォトダイオードであり、且つ、第２の検出器４１がアバランシェフォトダイオードである。または、第１の検出器３２が光電管であり、且つ、第２の検出器４１が光電子増倍管である。更に、差動増幅器５１は、光強度比信号を距離制御装置２７にも出力する。
【００６５】
距離可変装置２６は、第１の鏡２１と第２の鏡２２との間の距離を変更する。距離可変装置２６は、例えば第２の鏡２２を載せることができる稼動台である。距離可変装置２６は距離制御装置２７が出力した移動を指示する信号に基づいて第２の鏡２２の位置を変更する。
【００６６】
距離制御装置２７は、差動増幅器５１が出力した光強度比信号示す光強度比ΔＩの値が１となるように、距離可変装置２６の移動を指示する信号を距離可変装置２６と解析装置５２へ出力する。解析装置５２は、距離制御装置２７が出力した移動距離を指示する信号に基づいて第１の鏡２１と第２の鏡２２との間の距離Ｘを算出する。そして、この距離Ｘを用いて、解析装置５２は、上述したように光吸収係数ａを算出する。このように、光強度比ΔＩが１となるように第１の鏡２１と第２の鏡２２との間の距離を変更することによって、光強度比ΔＩをより正確に１にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本実施形態に係る吸収計測装置１の構成図である。
【図２】第２の実施形態に係る吸収計測装置２の構成図である。
【図３】第３の実施形態に係る吸収計測装置３の構成図である。
【図４】第４の実施形態に係る吸収計測装置４の構成図である。
【図５】第５の実施形態に係る吸収計測装置５の構成図である。
【図６】第６の実施形態に係る吸収計測装置６の構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０・・・光源、１１・・・波長可変装置、１２・・・変調器、２０・・・共振器、２１・・・第１の鏡、２２・・・第２の鏡、２３・・・試料セル、２４・・・角度可変装置、２５・・・角度制御装置、２６・・・距離可変装置、２７・・・距離制御装置、３０・・・第１の検出手段、３１・・・光減衰器、３２・・・第１の検出器、３３・・・第１のアパーチャ、３４・・・第１のロックイン増幅器、４０・・・第２の検出手段、４１・・・第２の検出器、４２・・・第２のアパーチャ、４３・・・第２のロックイン増幅器、４４・・・位置可変装置、４５・・・位置制御装置、５０・・・決定装置、５１・・・差動増幅器、５２・・・解析装置、５３・・・係数ルックアップテーブル、５４・・・濃度決定装置、５５・・・濃度ルックアップテーブル、６０・・・表示装置、７０・・・測定パルス光、７１・・・第１の出力光、７２・・・第２の出力光、７３・・・減衰曲線
【図１】
2006189392.tif 000012
【図２】
2006189392.tif 000013
【図３】
2006189392.tif 000014
【図４】
2006189392.tif 000015
【図５】
2006189392.tif 000016
【図６】
2006189392.tif 000017